Pitágoras, álgebra y teoría de números

Pitágoras, álgebra y teoría de números
En esta nota nos proponemos presentar algunas relaciones entre objetos del título. Para
esto consideramos triángulos rectángulos de catetos de longitud x, y, e hipotenusa de
longitud z. Por lo tanto se satisface
x2 + y2 = z2
Esta igualdad no refleja que hacer pero si la rescribimos como
x2 = z2 − y2
en el lado derecho podemos aplicar diferencia de cuadrados y así obtenemos
x 2 = ( z − y )( z + y )
Ahora un duende nos dice: llama s = z – y, t = z + y , entonces una cuenta sencilla nos
lleva a:
s+t
t−s
x2 = s t
z=
y=
2
2
t−s
t+s
x= st
y=
z=
de esto
2
2
de modo que si damos valores a s y t tal que t > s > 0, obtenemos ejemplos de
triángulos rectángulos. Esta fórmula tiene un “inconveniente” requiere dividir por dos y
calcular raíz cuadrada, nos preguntamos, ¿podemos evitar estas operaciones si hacemos
algún álgebra?. El duende nos contesta: muy fácil, escribimos t = 2 r,
s = 2 q con r
> q > 0 y tenemos que
x=2 rq
y = r−q
z =r+q
2
2
Ahora escribimos r = u , q = v , con u > v > 0 y finalmente obtenemos
x = 2u v
y = u2 − v2
z = u2 + v2
De manera que hemos encontrado una “máquina” que nos produce triángulos rectángulos a
partir de dos números u > v > 0. Enunciamos esto de modo más formal.
Proposición: Si u > v > 0 entonces
x = 2 u v , y = u2 - v2 , z = = u2 + v2
representan las longitudes de los catetos e hipotenusa de un
triangulo rectángulo. Recíprocamente dados ( x , y , z ) longitudes
de los catetos e hipotenusa de un triángulo rectángulo, entonces
existen u > v > 0 de modo que vale la igualdad del primer párrafo.
La verificación de la recíproca es la primera parte de este texto si recordamos que todo
número real es divisible por dos y que cualquier número real positivo admite raíz
cuadrada. La afirmación directa de la proposición sigue de verificar la igualdad
(2 u v) 2 + (u 2 − v 2 ) 2 = (u 2 + v 2 ) 2
y recordar que si tres números positivos a , b , c verifican que a 2 + b 2 = c 2 entonces a,
b , representan los catetos, respectivamente, c la hipotenusa de un triángulo rectángulo.
Una pregunta que surge es: ¿Cómo deben ser u > v > 0 , m > n > 0 de modo que
2u v = 2m n
u 2 − v2 = m2 − n2
u 2 + v2 = m2 + n2 ?
Respuesta: ejercicio para el lector.
Ejemplo: Si u = 2 , v = 1 obtenemos el triángulo ( 4 , 3 , 5 ); si u = 3 , v = 2
obtenemos ( 12 , 5 , 13 ).
Notar: Si u > v > 0 son ambos números naturales resultan
(2 u v , u 2 − v 2 , u 2 + v 2 ) números naturales. Esto motiva la pregunta: ¿Si x , y , z son
números naturales y representan las longitudes de un triángulo rectángulo, es posible
encontrar u , v naturales de modo que vale x = 2 u v , y = u2 - v2 , z = = u2 + v2 ?
Respuesta no. Pues si m > n > 0 son naturales y d > 0 natural que no es cuadrado de un
natural entonces:
d (m 2 − n 2 ) ,
d (m 2 + n 2 )
2d mn ,
representan las longitudes de los lados de un triángulo rectángulo, un fácil ejercicio
permite verificar que no siempre existen u , v naturales de modo que x = 2 u v , y = u2
- v2 , z = = u2 + v2. Un modo de hacer este ejercicio es construir una tabla.
d
3
m
2
n
1
2dm
12
d (m2 – n2)
9
d (m2 + n2)
15
u
1,5
v
13,5
Ahora damos valores en los naturales para d , m > n > 0 calculamos la cuenta, quinta y
sexta columna y finalmente siguiendo el esquema del comienzo calculamos u , v para
cada terna
2d mn ,
d (m 2 − n 2 ) ,
d (m 2 + n 2 ) y así encontramos ejemplos
donde u o v no son números naturales.
El lector diligente, ayudándose de aritmética elemental verificará el siguiente:
Teorema: Si ( x , y , z ) son tres números naturales tal que x 2 + y 2 = z 2 ,
entonces existen d > o , m > n > 0 , tres números naturales de manera que
x = 2 d m n , y = d (m 2 − n 2 ) , z = d (m 2 + n 2 ) .
Ayuda: d es el máximo común divisor de x , y , z.
Aplicación 1: Para todo triángulo rectángulo cuyos lados tienen por longitud
números naturales, su área es un múltiplo de seis.
Denotemos por x , y , z , las longitudes de los catetos e hipotenusa de dicho triángulo.
Por ser el triángulo rectángulo, su área es el semiproducto de las longitudes de los catetos.
De esto
xy
Área =
2
y = d ( m2 –n2 ) con d > 0, m > n > 0 números naturales
Ahora x = 2 d m n,
convenientes. De manera que
2
Area = d 2 (m 2 − n 2 ) m n = d 2 m n (m 2 − n 2 ) .
2
Queremos mostrar que 6 / Área = d2 m n ( m2 - n2 ). Un modo de proceder es mostrando
que 2 / Área y 3 / Área.
Para 2 / Área es fácil, debemos considerar dos casos: 1) d , m o n es par entonces 2 /
d2 m n y tenemos que 2 / Área. 2) Si d , m , n , son los tres impares entonces m = 2 k
+ 1 , n = 2 p + 1 y m2 – n2 = 2 ( 2 k2 + 2 p2 + 2 k + 2 p) , por ende el área es múltiplo
de dos. Para mostrar que 3 / Área procedemos de un modo semejante, si 3 divide a d ,
m o n entonces 3 divide al producto y logramos que 3 / Área. Si 3 no divide a ninguno
de d, m, n , entonces m = 3 k + r n = 3 p + s con r , s ∈ {1 , 2 } De modo que
m2 – n2 = 3 ( 3 k2 + 2 k + 3 p2 + 2 p ) + r2 – s2.
Los valores posibles, para r , s ∈ { 1 , 2 },
m2 – n2 es un múltiplo de tres.
de r2 – s2 son 0 , ± 3. Por consiguiente
Aplicación 2. Para todo triángulo rectángulo cuyos lados tienen por longitud números
naturales, el producto de las longitudes de los tres lados es un múltiplo de 60.
Verificación: x y z = 2 d3 m n (m2 – n2) (m2 + n2) = 2 d3 m n (m4 – n4).
Por otra parte 60 = 2 . 2 . 3 . 5. En Aplicación 1 hemos verificado que
2 . 3 / d2 m n (m2 – n2). Por consiguiente 4 . 3 = 12 / 2 d3 m n (m2 – n2). Resta mostrar que
5 / x y z. Para esto escribimos m = 5 k + r , n = 5 p + s con r , s ∈ {0 , 1 , 2 , 3 , 4 }.
Ahora se procede como cuando mostramos que 3 / (m2 – n2) para mostrar que 5 / (m4 –
n4).
Nota: La verificación de Aplicación 2 es lo que en Didáctica se denomina una evaluación
de procesos de la Aplicación 1.
Ultima pregunta. El triángulo ( 3 , 4 , 5 ) tiene área 6. ¿Existe algún triángulo rectángulo
( x , y , z ) con x , y , z naturales cuya área es 12?. Respuesta no, puesto que las
ecuaciones
xy
= 12
x2 + y2 = z2
2
implican x y = 24. Como x , y son números naturales se tiene para x , y las
posibilidades: x = 1, y = 24; x = 2, y = 12; x = 3, y = 8; x = 4, y = 16; x = 6, y = 4;
x = 12, y = 2; x = 24, y = 1. Para cada caso z resulta un número irracional, por
ejemplo para x = 1, y = 24, z = 24 2 − 12 = 575 = 5 23 .
Para evaluar procesos se sugiere proponer la misma pregunta para área 18.
Bibliografía
Vargas, J., Área de triángulos rectángulos. REM – UMA.
Autor
Jorge Vargas
FAMAF
Ciudad Universitaria
5000 Córdoba
[email protected]